KR101214261B1 - 메탈 인쇄회로기판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 메탈 인쇄회로기판에 관한 것으로서; 동판의 일면에 절연재를 코팅하여 반경화시킨 도전성부재와, 상기 도전성부재의 절연재가 밀착되며 핫프레싱에 의해 일체로 결합되는 알루미늄판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 메탈 인쇄회로기판을 제공한다.
본 발명에 따르면 동판의 일면에 절연재를 코팅하여 반경화시킨 도전성부재와 알루미늄판를 적층하고 핫프레싱 공정을 통해 일체로 결합함으로서 메탈 인쇄회로기판의 제조가 간단하고, 대량으로 메탈 인쇄회로기판를 양산시에도 정밀도를 요하지 않아 불량률을 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 메탈 인쇄회로기판을 제조시 알루미늄판의 일면에 무전해 에칭처리하여 표면이 거친 형태의 표면 조도를 형성하여 절연재와의 접촉면적을 넓혀 강한 결합 상태를 유지할 수 있음은 물론, 추후 알루미늄을 통한 방열되는 과정에서의 알루미늄판과의 박리가 최소화되어 메탈 인쇄회로기판의 수명을 연장할 수 있는 장점도 있다.

Description

메탈 인쇄회로기판{METAL PRINTED CIRCUIT BOARD}

본 발명은 메탈 인쇄회로기판에 관한 것으로, 더 상세하게는 알루미늄판의 일면에 절연재(insulating material)가 부착된 동판(copper plate)을 밀착하고 핫프레싱하여 일체화하여 제조할 수 있어 제조가 간단하고 견고한 구조의 메탈 인쇄회로기판에 관한 것이다.

최근 조명을 위해 사용되는 고휘도 LED는 그 사용범위가 계속 확대되고 있지만, 다수의 고휘도 LED를 패키지(package)화하여 사용하는 경우 LED 자체에서 발생하는 열이 기판내에 축적되어 LED 수명이 급격히 떨어져 사용하지 못하는 단점이 있다. 그리고, 최근의 전자장비의 고집적화로 LED 칩(chip)으로 들어가는 전력량이 점점 높아지고 이로 인해 발생하는 열이 점점 증가하고 있으며, LED 역시 사용자들의 요구에 따라 고휘도를 가지기 위해 많은 전력을 작은 칩에 인가시키고 있다.

또한 모터나 전원공급장치, 인버터 등의 다양한 전자기기 등의 제어를 위한 인쇄회로기판 역시 대전력을 소모하며 그로 인해 발생하는 열을 효과적으로 방열시켜야 한다.

따라서, 최근에는 금속을 이용한 메탈 코어 PCB(이하, '메탈 인쇄회로기판'이라 한다.)가 개발되어 열 전달률이 높은 금속으로 열을 확산 및 냉각시킬 수 있게 되었다.

이와 같은 메탈 인쇄회로기판은 공개특허 제10-2007-0039006호의 메탈 인쇄회로기판용 알루미늄절연기판, 공개특허 제10-2007-0040918호의 발광다이오드용 메탈 코어 인쇄회로기판 등에 그 구조가 제시된 바 있다.

이러한 종래의 메탈 인쇄회로기판은 도 1에 도시된 바와 같이 통상 알루미늄판(10)의 상부에 절연재(insulating material)(20), 동판(copper plate)(30)이 순차적으로 적층되어서 이루어진다. 좀 더 상세하게는 상기 알루미늄판(10)은 방열기능을 담당하는 것으로, 열전달률이 우수하며, 절연재(20)는 전류가 흐르는 동판(30)과 알루미늄판(10)의 사이의 전기적인 절연 상태를 유지하는 기능을 한다.

한편, 이와 같은 종래의 메탈 인쇄회로기판은 알루미늄판(10), 절연재(insulating material)(20) 및 동판(copper plate)(30)을 순차적으로 적층한 후 핫프레스기를 이용해 열압착함으로서 일체로 형성하게 된다. 그런데, 이와 같은 종래의 제조 방식의 경우 알루미늄판(10)과 절연재(insulating material)(20) 및 동판(copper plate)(30)을 한꺼번에 적층한 상태에서 핫프레싱을 함에 따라 메탈 인쇄회로기판을 양산시 불량률이 높은 문제점을 안고 있다.

또한, 종래의 메탈 인쇄회로기판은 이와 같이 일체로 핫프레싱을 통해 제작하는 경우 동판(copper plate)(30)과 알루미늄판(10)의 사이에서 에폭시수지(Epoxy Resin) 등의 재질로 이루어지는 절연재(insulating material)(20)의 결합력이 약해 열이 방열되는 과정에서의 알루미늄판(10)과의 박리우려가 높아 메탈 인쇄회로기판의 수명 단축의 문제점도 안고 있다.

한편, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 종래기술로 대한민국 등록특허공보 제10-0970209호에는 방열 인쇄회로기판용 금속 베이스 동박적층판의 제조방법이 게재되어 있는데, 그 주요 기술적 구성은 알루미늄 판의 일면에 유기필름을 부착한 후, 황산-염산 혼합용액으로 피트 에칭처리하여 유기필름이 부착된 면의 반대 면에 피트를 형성하고, 피트가 형성된 면에 에폭시 계의 절연수지 도포 동박을 적층한 후, 알루미늄 판과 절연수지 도포 동박을 압축시켜 접착함으로써 금속 베이스 동박적층판을 제조하되, 상기 황산-염산 혼합용액은 황산 10 내지 30 중량%, 염산 20 내지 50 중량%, 물 30 내지 60 중량%를 포함하여 30 내지 70℃에서 10초 내지 5분 동안 교반하여 생성하고, 황산-염산 혼합 용액에 직류 전류를 통전시켜 피트를 형성시키는 것을 특징으로 한다.

하지만, 상기 구성은 전해방식에 의해 알루미늄 판에 피트를 형성시키는 것이므로, 피트 형성시 별도의 전기장치 시설이 필요하고, 피트 형성시간이 오래 걸리며, 피트 형성 공정이 복잡하므로 제조 원가가 높아지고, 대량 생산에 부적합하다는 문제점이 있었다.

따라서 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 방열기능을 하는 알루미늄판의 일면에 절연재(insulating material)가 일면에 부착된 동판(copper plate)을 밀착하고 핫프레싱하여 일체화함에 따라 그 제조가 간단할 뿐만 아니라 양산시 불량률을 줄일 수 있는 메탈 인쇄회로기판 을 제공함에 있다.

또한, 본 발명은 메탈 인쇄회로기판 제조시 알루미늄판과 절연재(insulating material) 사이의 접촉면적을 넓혀 강한 결합 상태를 유지할 수 있는 메탈 인쇄회로기판 을 제공함에 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 비전해 방식에 의해 알루미늄판에 표면조도를 형성시킴으로써 별도의 전기장치 없이도 단순한 공정에 의해 표면조도를 형성시킬 수 있도록 하여 제조원가를 줄이고 생산성이 뛰어난 메탈 인쇄회로기판을 제공함에 또 다른 목적이 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 메탈 인쇄회로기판은;

동박(Copper Foil)의 일면에 세라믹 필러(ceramic filler)가 첨가된 에폭시수지(Epoxy Resin)로 이루어진 절연재를 코팅하여 반경화시킨 도전성부재와,

상기 도전성부재의 절연재가 밀착되며 핫프레싱에 의해 일체로 결합되는 알루미늄판으로 이루어지되,

상기 알루미늄판의 일면은 무전해 방식으로 에칭(etching) 처리하여 그 표면에 요철이 균일한 형상으로 반복되는 형태의 표면조도가 형성되며, 상기 표면조도가 형성된 일면에 도전성부재가 밀착되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 표면조도는 알루미늄판의 표면에서 3 ~4 ㎛ 깊이로 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 동판의 일면에 절연재를 코팅하여 반경화시킨 도전성부재와 알루미늄판을 적층하고 핫프레싱 공정을 통해 일체로 결합함으로써 메탈 인쇄회로기판의 제조가 간단하고, 대량으로 메탈 인쇄회로기판을 양산시에도 정밀도를 요하지 않아 불량률을 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 메탈 인쇄회로기판 제조시 알루미늄판의 일면에 무전해 에칭처리하여 표면에 요철이 균일한 형상으로 반복되는 형태의 표면 조도를 형성하여 절연재와의 접촉면적을 넓혀 강한 결합 상태를 유지할 수 있음은 물론, 추후 알루미늄을 통한 방열되는 과정에서의 알루미늄판과의 박리가 최소화되어 메탈 인쇄회로기판의 수명을 연장할 수 있는 장점도 있다.

도 1은 일반적인 메탈 인쇄회로기판의 제조 방식을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 메탈 인쇄회로기판의 제조 방식을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 메탈 인쇄회로기판의 제조 공정 흐름도이다.

이하, 본 발명에 따른 메탈 인쇄회로기판을 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

도 2에 의하면 본 발명에 따른 메탈 인쇄회로기판(100)은 동판(112)의 일면에 절연재(insulating material)(114)를 코팅하여 반경화시킨 도전성부재(110)와, 상기 도전성부재(110)의 절연재(insulating material)(114)가 밀착되며 핫프레싱에 의해 일체로 결합되는 알루미늄판(120)으로 이루어진다.

이때, 상기 도전성부재(110)를 구성하는 동판(112)은 동박(Copper Foil)을 사용한다.

그리고, 상기 절연재(insulating material)(114)는 절연성이 뛰어난 에폭시수지(Epoxy Resin)에 상기 에폭시 수지의 열팽창계수를 낮추기 위한 세라믹 필러(Ceramic Filler)를 첨가하여 이루어지지만, 이외에도 다양한 절연용 수지를 선택적으로 사용할 수 있다.

한편, 상기 도전성부재(110)는 동판(112)의 일면에 절연재(insulating material)(114)를 코팅하고 반경화시킨 상태이므로, 도전성부재(110)를 알루미늄판(120)의 일면에 밀착시키고 일정한 열을 가하면서 압착하는 핫프레싱을 통해 도전성부재(110)와 알루미늄판(120)을 일체화시키게 된다.

특히 상기 알루미늄판(120)의 일면은 무전해 방식으로 에칭(etching) 처리하여 그 표면에 요철이 균일한 형상으로 반복되는 형태의 표면조도(122)를 형성함으로써 도전성부재(110)를 밀착하고 핫프레싱을 하는 경우 절연재(insulating material)(114)가 표면조도(122)의 사이로 침투되어 강한 결합상태를 유지할 수 있게 된다.

보다 상세히 설명하면, 염산 15%와 물 85%가 혼합되어 있는 수용액에 알루미늄판(120)의 일측면이 잠기도록 한 후 염산과 물의 혼합물에 요동을 가하여 5분 ~ 10분 정도 유지시키면 별도의 전기 공급이 없이도 화학반응에 의해 알루미늄판(120)의 표면에 요철 형상이 균일한 형태로 반복되는 표면조도(122)가 형성되는데, 이러한 무전해 방식은 별도의 전기장치가 필요 없으므로 공정이 간편할 뿐만 아니라, 제조비용과 시간을 줄일 수 있어 대량생산에 유리한 장점을 갖게 된다.

이때, 상기 표면조도(122)의 깊이는 알루미늄판(120)의 표면에서 3 ~ 4 ㎛ 정도 형성함이 바람직한데 그 이유는, 표면조도(122)의 깊이가 3 ㎛ 보다 작은 경우 알루미늄판(120)과 도전성부재(110) 사이의 접착 면적이 줄어들어 밀착력이 떨어지게 되고, 표면조도(122)의 깊이가 4 ㎛ 보다 큰 경우에는 알루미늄판(120)과 도전성부재(110) 사이의 접착 면적은 넓어지지만, 표면조도(122)의 형성에 소요되는 시간 및 비용이 증가하게 되어 생산성이 떨어지게 되는 문제점이 있기 때문이다.

한편, 본 발명에 따른 메탈 인쇄회로기판(100)은 그 알루미늄판(120)의 단면 또는 양면을 선택적으로 사용하거나 또는 다층으로 형성할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 메탈 인쇄회로기판은 단면구조(Single Side Substrate)이외에도 도면으로 도시하지는 않았지만, 양면구조(Double Side Substrate) 그리고 다층구조(Multi Layer Substrate) 등의 다양한 구조에 적용할 수 있다.

이하, 도 2 및 도 3을 참고로 본 발명에 따른 메탈 인쇄회로기판의 제조 공정을 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 메탈 인쇄회로기판(100)의 제조방법은 크게 3단계(S100,S200,S300)로 구성되는데, 제1단계(S100)는 동판(112)의 일면에 에폭수 수지를 포함한 절연용 수지로 이루어지는 절연재(114)를 코팅하여 반경화시킨 도전성부재(110)를 알루미늄판(120)의 일면에 결합시켜 일체화시킴으로써 메탈 인쇄회로기판(100)의 형상을 이루도록 하는 것이고, 제2단계(S200)는 제1단계(S100)에서 일체화된 도전성부재(110)와 알루미늄판(120)의 형상을 교정하여 메탈 인쇄회로기판(100)이 올바른 형상 및 모양을 이룰 수 있도록 하는 것이며, 제3단계(S300)는 약품처리를 통해 메탈 인쇄회로기판(100)의 제조과정 중 동판(112)의 표면에 발생하는 얼룩이나 스크래치 등을 제거하고, 동판(112)의 표면에 남아 있는 유기물 등의 오염물질을 제거하기 위하여 후처리하는 것이다.

보다 상세히 설명하면, 상기 제1단계(S100)는 표면조도 형성단계(S110)와, 수세 및 건조단계(S120)와, 프레스 결합단계(S130)를 포함하여 구성되는데, 상기 표면조도 형성단계(S110)는 알루미늄판(120)과 도전성부재(110)의 접합 면적을 증가시켜 결합력을 강화시키기 위하여 알루미늄판(120)의 일면에 표면조도(122)를 형성시키는 것으로, 알루미늄판(120)의 일면을 무전해 방식으로 에칭(etching) 처리하여 표면에 요철이 균일한 형상으로 반복되는 형태의 표면조도(122)를 형성시킬 수 있게 된다.

즉, 염산 15%와 물 85%가 혼합되어 있는 수용액에 알루미늄판(120)의 일측면이 잠기도록 한 후 5분 ~ 10분 정도 유지시키면 알루미늄판(120)의 표면에 약 3~4㎛ 높이의 표면조도(122)가 형성되는 것이다.

다음, 상기 수세 및 건조단계(S120)는 일면에 표면조도(122)가 형성된 알루미늄판(120)을 물로 세척하여 표면조도(122) 형성 후 알루미늄판(120)에 남아있는 이물질을 제거하고 건조시키는 단계이다.

또한, 상기 프레스 결합단계(S130)는 표면조도(122)가 형성된 알루미늄판(120)의 일면에 도전성부재(110)를 일체로 결합시키는 단계에 관한 것으로, 이때, 상기 도전성부재(110)로는 전술한 바와 같이, 동판(112)의 일면에 절연재(114)를 코팅하여 반경화시킨 도전성부재(110)를 사용하게 되고, 절연재(114)가 코팅된 면이 표면조도(122)가 형성된 알루미늄판(120)의 일면에 맞닿도록 한 후 핫프레스기를 이용하여 열압착의 방식으로 가압함으로써 도전성부재(110)와 알루미늄판(120)을 일체화시킬 수 있게 된다.

이때, 상기와 같이 도전성부재(110)의 절연재(insulating material)(114)가 알루미늄판(120)의 일면에 밀착되도록 적층시킨 상태에서 열압착 방식에 의해 압착 결합시키는 경우, 알루미늄판(120)에 형성된 표면조도(122)에 의해 알루미늄판(120)과 절연재(114) 사이의 접합 면적이 증가될 뿐만 아니라, 핫프레스기로부터 발생되는 열에 의해 절연재(114)가 거친 표면조도(122)에 침투되어 도전성부재(110)와 알루미늄판(120)이 강한 결합상태를 유지할 수 있게 된다.

한편, 상기 제2단계(S200)는 휨교정단계(S210)와, 버(burr) 제거단계(S220) 및 라미네이팅 단계(S230)를 포함하여 구성되는데, 상기 휨교정단계(S210)는 핫프레싱 공정에 의해 일체화된 도전성부재(110)와 알루미늄판(120)이 휘어진 것을 바로잡아 평평한 형태를 이루도록 하는 것으로, 일체화된 도전성부재(110)와 알루미늄판(120)을 롤러 등의 장치에 통과시켜 평평하게 교정하는 단계이다.

또한, 상기 버 제거단계(S220)는 일체화된 도전성부재(110)와 알루미늄판(120)의 외곽 부분에 형성된 버를 면취가공(Bevelling)을 통해 제거함으로써 메탈 인쇄회로기판(100)의 불량률을 감소시킬 수 있도록 하는 것이고, 상기 라미네이팅(Laminating) 단계(S230)는 알루미늄판(120)의 노출된 면에 보호테이프를 접착하여 노출면을 밀폐시킴으로써 후술할 제3단계(S300)의 에칭 및 수세단계(S320)에서 알루미늄판(120)의 노출된 면을 보호할 수 있도록 하기 위한 단계이다.

다음, 상기 제3단계(S300)는 전술한 바와 같이, 후처리 과정을 통해 동판(112)의 표면을 깨끗이 함으로써 본 발명에 따른 메탈 인쇄회로기판(100)을 완성시킬 수 있도록 하는 것으로, 탈지 및 수세단계(S310)와, 에칭 및 수세단계(S320) 및 방청 및 수세단계(S330)를 포함하여 구성된다.

보다 상세히 설명하면, 상기 탈지 및 수세단계(S310)는 동판(112)의 표면에 존재하는 지문이나 이물질들을 제거하기 위한 것으로, 본 발명에서는 가성소다 또는 아민계열의 혼합물을 이용한 알칼리 탈지법이 사용된다. 즉, 가성소다 또는 아민계열의 혼합물을 이용하여 유지분을 산화시켜 동판(112)의 표면에 존재하는 지문이나 이물질을 제거하는 것이다.

이때, 상기 가성소다에 계면활성제를 첨가하여 유화작용이 원활히 이루어지도록 할 수도 있음은 물론이다.

또한, 탈지작업은 반응속도를 향상시키기 위해 약 30도 정도로 온도를 높여 4~5분 동안 이루어지고, 탈지가 마무리된 후에는 물로 세척하여 동판(112)의 표면에 남아 있는 알칼리 성분을 씻어낸다.

다음, 상기 에칭 및 수세단계(S320)는 동판(112)의 표면에 존재하는 스크래치들을 없애기 위한 것으로, 본 발명에서는 과황산 소다와 황산의 혼합물을 사용하여 에칭작업을 진행함으로써 동판(112)의 색상이 변하지 않고 유지되도록 함과 동시에 탈지작업 후 동판(112)의 표면에 남아 있는 가성소다 또는 아민계열의 혼합물의 성분을 중화시킬 수 있도록 한다.

이때, 상기 에칭작업은 실온에서 약 1~2분 동안 실시되고, 에칭 후에는 물로 세척하여 동판(112)의 표면에 남아 있는 황산 성분을 씻어낸다.

다음, 상기 방청 및 수세 단계(S330)는 동판(112)의 표면이 공기 중에서 산화되는 것을 방지하기 위한 것으로, 이와 같은 방청작업은 종래부터 사용되고 있는 것이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이와 같이, 방청작업을 마친 후 마지막으로 일체화된 도전성부재(110)와 알루미늄판(120)의 외측 표면에 남아 있는 이물질이나 약품 성분들을 물로 씻어낸 후 건조시키면 본 발명에 따른 메탈 인쇄회로기판(100)이 완성되는 것이다.

그리고, 완성된 메탈 인쇄회로기판(100)은 전기 절연 테스트, 절연층 쇼트 테스트 등의 검수과정을 거친 후 진공 포장하여 출하하게 된다.

따라서, 전술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 메탈 인쇄회로기판에 의하면 동판(112)의 일면에 절연재(114)를 코팅하여 반경화시킨 도전성부재(110)와 알루미늄판(120)을 적층하고 핫프레싱 공정을 통해 일체로 결합함으로써 메탈 인쇄회로기판(100)의 제조가 간단하고, 대량으로 메탈 인쇄회로기판(100)을 양산시에도 정밀도를 요하지 않아 불량률을 획기적으로 줄일 수 있고, 메탈 인쇄회로기판(100) 제조시 알루미늄판(120)의 일면에 무전해 에칭처리하여 요철이 균일한 형상으로 반복되는 형태의 표면조도(122)를 형성하여 절연재(114)와의 접촉면적을 넓혀 강한 결합 상태를 유지할 수 있음은 물론, 추후 알루미늄을 통한 방열되는 과정에서의 알루미늄판(120)과의 박리가 최소화되어 메탈 인쇄회로기판(100)의 수명을 연장할 수 있는 등의 다양한 장점을 갖는 것이다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.

100: 메탈 인쇄회로기판 110: 도전성부재
112: 동판 114: 절연재
120: 알루미늄판 122: 표면조도

Claims (2)

1. 동박(Copper Foil)의 일면에 세라믹 필러(ceramic filler)가 첨가된 에폭시수지(Epoxy Resin)로 이루어진 절연재를 코팅하여 반경화시킨 도전성부재와,
   상기 도전성부재의 절연재가 밀착되며 핫프레싱에 의해 일체로 결합되는 알루미늄판으로 이루어지되,
   상기 알루미늄판의 일면은 무전해 방식으로 에칭(etching) 처리하여 그 표면에 요철이 균일한 형상으로 반복되는 형태의 표면조도가 형성되며, 상기 표면조도가 형성된 일면에 도전성부재가 밀착되고,
   상기 표면조도는 알루미늄판의 표면에서 3 ~4 ㎛ 깊이로 형성된 것을 특징으로 하는 메탈 인쇄회로기판.
   
   
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